16. Биосфера, её структура и функции

Биология 9 класс. Общие закономерности (Мамонтов). Глава 16. Биосфера, её структура и функции. Раздел 5. Взаимоотношения организма и среды. Основы экологии. Электронная версия (ТРАНСКРИПТ). Цитаты использованы в учебных целях.

ОГЛАВЛЕНИЕ вернуться к содержанию учебника


Раздел 5. Взаимоотношения организма
и среды. Основы экологии.

Животные и растения, грибы и бактерии существуют не сами по себе, независимо друг от друга, а в тесном взаимодействии — влияют на проявления жизнедеятельности одних и сами зависят от других организмов. С момента своего появления, около 3,5 млрд лет назад, живые организмы стали оказывать значительное влияние на эволюцию земной коры и атмосферы.

Около 60 лет назад выдающийся русский учёный академик В. И. Вернадский разработал учение о биосфере — оболочке Земли, населённой живыми организмами. В. И. Вернадский выявил геологическую роль живых организмов и показал, что их деятельность представляет собой важнейший фактор преобразования минеральных оболочек планеты. Он писал: «На земной поверхности нет химической силы более постоянно действующей, а поэтому более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом». Правильнее поэтому определять биосферу как оболочку Земли, которая населена и преобразуется живыми организмами.

Глава 16. Биосфера, её структура и функции

В составе биосферы различают:

живое вещество, образованное совокупностью организмов;
биогенное вещество, которое создаётся в процессе жизнедеятельности организмов (газы атмосферы, каменный уголь, нефть, известняки и др.);
косное вещество, образующееся без участия живых организмов (основные породы, лава вулканов, метеориты);
биокосное вещество, представляющее собой общий результат жизнедеятельности организмов и абиогенных процессов, например почвы.

Эволюция биосферы обусловлена тесно взаимосвязанными между собой тремя группами факторов: 1) развитием нашей планеты как космического тела и протекающими в её недрах химическими преобразованиями; 2) биологической эволюцией живых организмов и 3) развитием человеческого общества. Изучение биосферы, её свойств и закономерностей развития становится актуальной задачей нашего времени.

46. Структура биосферы

Вспомните! • Биогенные элементы • Макроэлементы • Микроэлементы • Свойства воды • Уровни организации живого

Границы биосферы определяются факторами земной среды, которые делают невозможным существование живых организмов (рис. 112). Верхняя граница проходит примерно на высоте 20 км от поверхности планеты и отграничена слоем озона, задерживающим губительную для жизни коротковолновую часть ультрафиолетового излучения Солнца. Таким образом, живые организмы могут существовать в тропосфере и нижних слоях стратосферы. В гидросфере земной коры организмы проникают на всю глубину Мирового океана — до 10—11 км. В литосфере жизнь встречается на глубине 3,5—7,5 км, что обусловлено температурой земных недр и уровнем проникновения воды в жидком состоянии.

распространение организмов в биосфере

Атмосфера. Газовая оболочка состоит в основном из азота и кислорода. В небольших количествах в ней содержатся диоксид углерода (0,03%) и озон. Состояние атмосферы оказывает большое влияние на физические, химические и биологические процессы на поверхности земли и в водной среде. Для биологических процессов наибольшее значение имеют: кислород, используемый для дыхания и минерализации мёртвого органического вещества, диоксид углерода, участвующий в фотосинтезе, и озон, экранирующий земную поверхность от жёсткого ультрафиолетового излучения. Азот, диоксид углерода, пары воды образовались в значительной мере благодаря вулканической деятельности, а кислород — в результате фотосинтеза.

Гидросфера. Вода — важный компонент биосферы и один из необходимых факторов существования живых организмов. Основная её часть (95%) находится в Мировом океане, который занимает около 70% поверхности земного шара и содержит 1300 млн км3 воды.

Поверхностные воды (озёра, реки, болота) включают всего 0,182 млн км3, а количество воды в живых организмах составляет ничтожное количество по сравнению с этими цифрами всего 0,001 млн км3. Значительные запасы воды (24 млн км3) содержат ледники.

Большое значение имеют газы, растворённые в воде: кислород и диоксид углерода. Их содержание широко варьирует в зависимости от температуры и присутствия живых организмов. В воде содержится в 60 раз больше диоксида углерода, чем в атмосфере.

Гидросфера формировалась в связи с развитием литосферы, которая в течение геологической истории Земли выделяла большое количество водяного пара.

Литосфера. Основная масса организмов, обитающих в пределах литосферы, находится в почвенном слое, глубина которого не превышает нескольких метров. Почва включает минеральные вещества, образующиеся при разрушении горных пород, и органические вещества — продукты жизнедеятельности организмов.

Живые организмы (живое вещество). Хотя границы биосферы довольно узки, живые организмы в их пределах распределены очень неравномерно. На большой высоте и в глубинах гидросферы и литосферы организмы встречаются относительно редко. Жизнь сосредоточена главным образом на поверхности земли, в почве и в приповерхностном слое океана.

Общая масса живых организмов — 2,43 • 1012 т. Биомасса организмов, обитающих на суше, на 99,2% представлена зелёными растениями — продуцентами (образователями) органического вещества и на 0,8% — животными и микроорганизмами. Напротив, в океане на долю растений приходится 6,3%, а на долю животных и микроорганизмов — 93,7% всей биомассы. Жизнь сосредоточена главным образом на суше. Суммарная биомасса океана составляет всего 0,13% биомассы всех существ, обитающих на Земле.

В распределении живых организмов по видовому составу наблюдается важная закономерность. Из общего числа видов 21% приходится на растения, но их вклад в суммарную биомассу составляет 99%. Среди животных 96% видов — беспозвоночные и только 4% позвоночные, из которых лишь 10% млекопитающие.

Таким образом, среди представителей животного царства в количественном отношении преобладают формы, стоящие на относительно низком уровне эволюционного развития.

Масса живого вещества составляет всего 0,01—0,02% от косного вещества биосферы, однако оно играет ведущую роль в геохимических процессах. Вещества и энергию, необходимые для обмена веществ, организмы черпают из окружающей среды. Огромные количества живой материи воссоздаются, преобразуются и разлагаются. Ежегодно благодаря жизнедеятельности растений и животных воспроизводится около 10% биомассы.

Чтобы представить масштабы геохимической деятельности организмов, приведём некоторые цифры. Ежегодная продукция живого вещества в биосфере составляет 232,5 млрд т сухого органического вещества. За это же время в процесс фотосинтеза вовлекается 46 млрд т углерода. Для этого необходимо, чтобы 170 • 109 т диоксида углерода прореагировало с 68 • 109 т воды. В процесс жизнедеятельности ежегодно вовлекаются 6 • 109 т азота, 2 • 109 т фосфора, а также калий, кальций, магний, сера, железо и другие элементы.

Деятельность живых организмов служит основой круговорота веществ в природе.

Вопросы для повторения и задания

  1. Какие типы веществ выделяют в составе биосферы?
  2. Охарактеризуйте оболочки Земли, в которых обитают живые организмы, — атмосферу, гидросферу, литосферу.
  3. Чем определяются границы распространения живых организмов в биосфере?
  4. Сравните суммарную биомассу суши и океана.
  5. Какой вклад в биомассу Земли вносят растения и какой — животные?
  6. Составьте диаграммы распределения различных групп живых организмов на суше и в океане.
  7. Чем вы можете объяснить, что число 24 млн км3 (найдите его в тексте параграфа) не является постоянным? Как вы думаете, в сторону уменьшения или увеличения изменяется эта величина с течением времени? Докажите свою точку зрения.
  8. Почему В. И. Вернадский считал живые организмы могущественной геохимической силой?
  9. Согласны ли вы с утверждением, что газы, растворённые в водах Мирового океана, играют важную роль в поддержании жизни на Земле?
  10. Используя дополнительные источники информации, подготовьте сообщение о жизни и деятельности выдающегося российского академика В. И. Вернадского.

47. Круговорот веществ в природе

Вспомните! • Обмен веществ • Хемосинтез • Фотосинтез

Главная функция биосферы заключается в обеспечении круговорота химических элементов, который выражается в циркуляции веществ между атмосферой, почвой, гидросферой и живыми организмами.

Круговорот воды. Вода испаряется и воздушными течениями переносится на большие расстояния. Выпадая на поверхность суши в виде осадков, она способствует разрушению горных пород, делает их доступными для растений и микроорганизмов, размывает верхний почвенный слой и уходит вместе с растворёнными в ней химическими соединениями и взвешенными органическими частицами в моря и океаны (рис. 113). Циркуляция воды между океаном и сушей представляет собой важнейшее звено в поддержании жизни на Земле.

Круговорот воды

Круговорот углерода. Углерод входит в состав разнообразных органических веществ, из которых состоит всё живое. В процессе фотосинтеза зелёные растения используют углерод диоксида углерода и водород воды для синтеза органических соединений, а освободившийся кислород поступает в атмосферу. Им дышат различные животные и растения, а конечный продукт дыхания — СО2 — выделяется в атмосферу (рис. 114).

Круговорот углерода

Круговорот азота. Атмосферный азот включается в круговорот благодаря деятельности азотфиксирующих бактерий и водорослей, синтезирующих нитраты, пригодные для использования растениями (рис. 115). Часть азота фиксируется в результате образования оксидов во время электрических разрядов в атмосфере. Соединения азота из почвы поступают в растения и используются для построения белков. После отмирания живых организмов гнилостные бактерии разлагают органические остатки до аммиака. Хемосинтезирующие бактерии превращают аммиак в азотистую, затем в азотную кислоту. Некоторое количество азота, благодаря деятельности денитрифицирующих бактерий, поступает в воздух. Часть азота оседает в глубоководных отложениях и на длительный срок выключается из круговорота; эта потеря компенсируется поступлением азота в воздух с вулканическими газами.

Круговорот азота

Круговорот серы. Сера входит в состав ряда аминокислот и представляет собой жизненно важный элемент. Находящиеся глубоко в почве и в морских осадочных породах соединения серы с металлами — сульфиды — переводятся микроорганизмами в доступную форму — сульфаты, которые и поглощаются растениями. С помощью бактерий осуществляются отдельные реакции окисления — восстановления. Глубоко залегающие сульфаты восстанавливаются до H2S, который поднимается вверх и окисляется аэробными бактериями до сульфатов. Разложение трупов животных или растений обеспечивает возврат серы в круговорот.

В результате деятельности человека движение многих веществ резко ускоряется, при этом в одних местах возникает недостаток, а в других — избыток каких-то веществ. Примером служит повышенный выброс SО2 в атмосферу при сжигании топлива. В окрестностях медеплавильных заводов избыток SО2 в воздухе вызывает гибель растительности вследствие нарушения процесса фотосинтеза.

Круговорот фосфора. Фосфор сосредоточен в отложениях, образовавшихся в прошлые геологические эпохи. Постепенно он вымывается из них и попадает в экосистемы или вносится на поля как удобрение (рис. 116). Растения используют только часть этого фосфора; много его уносится реками в моря и снова отлагается в осадках. Вместе с выловленной рыбой на сушу возвращается примерно 60 тыс. т элементарного фосфора, добывается же ежегодно 1—2 млн т фосфорсодержащих пород. Хотя запасы фосфорсодержащих пород велики, в будущем придётся предпринимать специальные меры для возвращения фосфора в круговорот веществ.

круговорот фосфора

Вопросы для повторения и задания

  1. В чём заключается главная функция биосферы?
  2. Расскажите о круговороте воды в природе.
  3. Участвуют ли живые организмы в круговороте воды? Если да, то дополните схему, изображённую на рисунке 113, обозначив на ней участие живых организмов в круговороте.
  4. Какие организмы поглощают диоксид углерода из атмосферы?
  5. Каким путём связанный углерод возвращается в атмосферу?
  6. Изобразите схематично круговорот азота в природе.
  7. Подумайте и приведите примеры, свидетельствующие о том, что микроорганизмы играют важную роль в круговороте серы.
  8. В пищевой рацион каждого человека обязательно должны входить блюда из рыбы. Объясните, почему это важно.
  9. Обсудите в классе, как изменился бы круговорот веществ в природе, если бы на планете исчезли все живые организмы.

48. История формирования природных сообществ живых организмов

Вспомните! • Континенты • Острова • Климат

Вся суша подразделяется на крупные области, называемые материками или континентами: Евразию, Африку, Северную Америку, Южную Америку, Австралию, Антарктиду. Растительный и животный мир континентов сильно различается. Чем это объяснить? Известно несколько факторов, обусловливающих несходство растительного и животного населения в тех или иных областях земного шара.

Первый из них — геологическая история материков (рис. 117). Сотни миллионов лет назад континентов не было и суша представляли единый суперконтинент — Пангею. Впоследствии Пангея раскололась на несколько частей, которые начали медленно расходиться в стороны.

геологическая история материков

Около 200 млн лет назад, в триасовый период мезозойской эры, этот единый суперматерик раскололся и часть его двинулась на юг. Эта часть включала будущие Антарктиду, Австралию, Индию, Африку и Южную Америку. Продолжающиеся подвижки и разломы земной коры на протяжении юрского и мелового периодов привели к выделению от дельных континентов. Северная Америка и Евразия составляли единый материк. Такое расположение континентов сложилось к началу кайнозойской эры, т. е. около 60 млн лет назад. Изоляция материков не могла не отразиться на ходе дальнейшей эволюции животных и растений. Например, Австралия обособилась до по явления плацентарных млекопитающих и сохранила до наших дней яйцекладущих и сумчатых животных, которые на других материках были вытеснены плацентарными.

В то же время фауна и флора Евразии и Северной Америки очень сходны. Это объясняется тем, что Берингов пролив на месте перешейка возник сравнительно недавно.

Второй фактор — различие климатических условий в широтном направлении. К числу важнейших показателей, характеризующих климатические условия в данной местности, относятся температурные. Другим важным показателем служит годовое количество осадков. В зависимости от количества солнечной энергии, падающей на единицу земной поверхности, и, следовательно, температурных условий, а также от количества осадков формируются специфические сообщества растений и животных.

В высоких широтах расстилается тундра. В этой климатической зоне флора представлена лишайниками, мхами, осоками, карликовыми деревьями, кустарничками, некоторыми водорослями. Фауна бедна и включает в себя небольшое количество видов насекомых, птиц, из млекопитающих оленей, овцебыков, росомах, песцов, леммингов. Млекопитающие и птицы появляются здесь главным образом летом вследствие сезонных миграций. В среднем в высоких широтах на 100 км2 обнаруживается около 20 видов организмов, южнее, в лесотундре — 70—80 видов.

К югу от тундры располагается тайга, где хвойные (ель обыкновенная, ель сибирская, пихта сибирская) занимают огромные территории. В тайге обитает 400—500 видов на 100 км2 .

При более высокой среднегодовой температуре и большем количестве осадков развиваются леса умеренной зоны. Биоценозы этой зоны включают 600—700 видов растений и животных.

При уменьшении годового количества осадков и повышении летних температур возникает степь умеренной зоны. Основные компоненты её флоры — злаки, фауна представлена в основном грызунами и копытными. Всего около 800—900 видов на 100 км2.

Повышение среднегодовой температуры и значительное уменьшение количества осадков приводят к появлению пустыни. В районе экватора в условиях высоких среднегодовых температур и очень большом количестве осадков (в пределах 200—400 см в год) развиваются тропические леса, характеризующиеся наибольшим видовым разнообразием и самыми высокими показателями образования биомассы.

Третий фактор — изоляция. Это относится главным образом к островным популяциям. Острова заселяются видами, способными преодолеть морские просторы и зачастую попадающими туда случайно. Поэтому видовой состав обитателей островов значительно беднее, чем на континентах в тех же широтах.

Живые организмы не просто обитают в той или иной местности. Они находятся в постоянном взаимодействии друг с другом и с факторами неживой природы. Видовой состав любой местности определяется историческими и климатическими условиями, а взаимоотношения организмов друг с другом и с окружающей средой — характером их питания.

Основные отношения между организмами — пищевые. По типу питания все живые существа объединяют в две группы: автотрофы, использующие в качестве пищи неорганические соединения, и гетеротрофы, нуждающиеся в пище органического происхождения. Автотрофы — это зелёные растения и некоторые виды бактерий, гетеротрофы — большинство бактерий, грибы и все животные.

Вопросы для повторения и задания

  1. Расскажите, как изоляция материков отразилась на их животном и растительном мире.
  2.  Приведите примеры, характеризующие своеобразие животного мира Австралии, Южной Америки и других континентов.
  3. Приведите примеры, характеризующие влияние климатических условий на формирование фауны и флоры.
  4. Какие природные факторы, определяющие численность видов живых организмов на той или иной территории, являются основными?
  5. Используя дополнительные источники информации, подготовьте сообщение или презентацию на тему «Геологическая история материков».
  6. Вместе с одноклассниками сделайте стенд или стенгазету «Животный и растительный мир моего родного края».

49. Биогеоценозы и биоценозы

Вспомните! • Автотрофы • Гетеротрофы • Факторы среды • Луг • Лес • Озеро • Поле пшеницы

Биогеоценоз — это устойчивое сообщество растений, животных и микроорганизмов, находящихся в постоянном взаимодействии друг с другом и с компонентами атмосферы, гидросферы и литосферы. В это сообщество поступают энергия Солнца, минеральные вещества почвы и газы атмосферы, вода, а выделяются из него теплота, кислород, диоксид углерода и другие продукты жизнедеятельности организмов. Основные функции биогеоценоза — аккумуляция и перераспределение энергии и круговорот веществ.

Биогеоценоз — целостная саморегулирующаяся и самоподдерживающаяся система. Он включает следующие обязательные компоненты: 1) климатические условия, неорганические (кислород, азот, диоксид углерода, вода, минеральные соли) и органические (белки, углеводы, липиды и др.) вещества, т. е. неживая природа; 2) автотрофные организмы продуценты органических веществ; 3) гетеротрофные организмы — потребители готовых органических веществ растительного (потребители первого порядка) и животного (потребители второго и следующих порядков) происхождения; к гетеротрофным организмам относятся и разрушители — деструкторы, которые разлагают остатки мёртвых растений и животных, превращая их в простые минеральные соединения.

Биоценозы, в отличие от биогеоценозов, включают только взаимосвязанные между собой живые организмы, обитающие в данной местности. Они характеризуются видовым разнообразием, т. е. числом видов растений и животных, образующих данный биоценоз; плотностью популяций, т. е. числом особей данного вида, отнесённым к единице площади или к единице объёма (для водных и почвенных организмов); биомассой — общим количеством живого органического вещества, выраженным в единицах массы.

Биомасса образуется в результате связывания солнечной энергии. Эффективность, с которой растения ассимилируют солнечную энергию, в разных биоценозах неодинакова. Суммарная продукция фотосинтеза называется первичной продукцией. Растительная биомасса используется потребителями первого порядка — растительноядными животными в качестве источника энергии и материала для создания биомассы. В свою очередь, эти животные служат источником энергии и материала для потребителей второго порядка — хищников и т. д. Наибольшее количество биомассы образуется в тропиках и в умеренной зоне, очень мало — в тундре и в океане. Организмы, входящие в состав биоценозов, испытывают действие факторов неживой природы (абиотических) и факторов живой природы (биотических). Рассмотрим действие этих двух групп факторов на живой организм.

Вопросы для повторения и задания

  1. Что такое биогеоценозы? Назовите и охарактеризуйте как можно подробнее составляющие их компоненты.
  2. Что такое биоценоз? Какие показатели его характеризуют?
  3. Что такое биомасса? В результате чего она образуется?
  4. Объясните, почему мы называем биогеоценозы саморегулирующимися системами.
  5. Как могут быть связаны обитающие в одном биоценозе белка, лось и дятел?
  6. Достаточно ли знать только видовой состав биогеоценоза, чтобы представить его полную характеристику? Объясните свою точку зрения.
  7. Изобразите схематично структуру любого хорошо вам известного биогеоценоза.

50. Абиотические факторы среды

Вспомните! • Горячие источники • Водоросли снега и льда • Миграции животных • Теневыносливые растения • Светолюбивые растения • Засухоустойчивые растения • Влаголюбивые растения • Летняя и зимняя спячка животных

Температура. Большинство видов приспособлено к довольно узкому диапазону температур. Некоторые организмы, особенно в стадии покоя, способны выдерживать очень низкие температуры. Например, микроорганизмы выдерживают охлаждение до -200 °С. Отдельные виды бактерий и водорослей могут жить и размножаться в горячих источниках при температуре +80…88 °С. Диапазон колебаний температуры в воде значительно меньше, чем на суше. Следовательно, водные организмы живут в гораздо более стабильном температурном режиме, и любые резкие изменения температуры окружающей среды для них более чувствительны, чем для организмов, обитающих на суше.

Хотя наземные организмы приспособились к значительным колебаниям температуры среды, оптимальная температура для их жизнедеятельности находится в сравнительно узких пределах: 15—30 °С.

Различают организмы с непостоянной температурой тела и организмы с постоянной температурой тела. Температура тела у первых зависит от температуры окружающей среды. Её повышение вызывает у них усиление жизненных процессов и ускорение (в известных пределах) развития. Это рыбы, амфибии, рептилии.

В природе температура непостоянна. Организмы, которые обычно подвергаются воздействию сезонных колебаний температур, что наблюдается в умеренных зонах, хуже переносят постоянную температуру. Резкие колебания температуры — сильные морозы или зной — также неблагоприятны для организмов. Различные виды живых организмов выработали приспособления для борьбы с охлаждением или перегревом. С наступлением зимы растения и животные с непостоянной температурой тела впадают в состояние зимнего покоя. Интенсивность обмена веществ у них резко снижается. При подготовке к зиме в тканях запасается много жиров и углеводов. Количество воды в клетках уменьшается, накапливаются сахара и глицерин, препятствующие замерзанию. Эти процессы развиваются постепенно, и морозостойкость зимующих организмов увеличивается в течение зимы. В жаркое время года, наоборот, включаются физиологические механизмы, защищающие от перегрева. У растений усиливается испарение воды через устьица (это приводит к снижению температуры листьев), а у животных — через дыхательную систему и кожные покровы.

В значительно меньшей степени зависят от температурных условий среды животные с постоянной температурой тела — птицы и млекопитающие. Ароморфные изменения строения (четырёхкамерное сердце и наличие одной дуги аорты, обеспечивающие полное разделение артериального и венозного кровотока, интенсивный обмен веществ благодаря снабжению тканей артериальной кровью, насыщенной кислородом, перьевой или волосяной покров тела, способствующий сохранению тепла, регуляция теплоотдачи кожными сосудами, хорошо развитая высшая нервная деятельность, особенно у млекопитающих) позволили представителям этих двух классов сохранять активность при очень резких перепадах температур и освоить практически все места обитания. Однако и у млекопитающих некоторые особенности строения связаны с температурными условиями. У мамонта, обитавшего в суровом климате, уши были невелики, а у африканского слона уши служат органом терморегуляции и достигают поэтому больших размеров (рис. 118).

ушные раковины млекопитающих

Свет. Свет в форме солнечной радиации обеспечивает все жизненные процессы на Земле. Для организмов важны длина волны воспринимаемого излучения, его интенсивность и продолжительность воздействия. Ультрафиолетовые лучи с длиной волны более 0,3 мкм составляют 10% лучистой энергии, достигающей земной поверхности. В небольших дозах они необходимы животным и человеку. Под их воздействием в организме образуется витамин D. Насекомые зрительно различают ультрафиолетовые лучи и пользуются этим для ориентации на местности в облачную погоду. Наибольшее влияние на организм оказывает видимый свет с длиной волны 0,4—0,75 мкм, чья энергия составляет около 45% общего количества лучистой энергии, падающей на Землю. Он менее всего ослабляется, проходя через плотные облака и воду. Поэтому фотосинтез может идти и при пасмурной погоде, и под слоем воды определённой толщины.

Синий (0,4—0,5 мкм) и красный (0,6—0,7 мкм) свет особенно сильно поглощается хлорофиллом.

В зависимости от условий обитания растения адаптируются к тени (теневыносливые растения) или, напротив, к яркому солнцу (светолюбивые растения). К последней группе относятся хлебные злаки. Но и у светолюбивых растений увеличение интенсивности освещения сверх оптимальной подавляет фотосинтез, поэтому в тропиках трудно получить высокие урожаи культур, богатых белком.

Влияние видимого света — яркий пример того, как живые организмы используют естественную периодичность изменения среды для распределения своих функций во времени и для программирования своих жизненных циклов таким образом, чтобы использовать самые благоприятные условия. Чрезвычайно важную роль в регуляции активности живых организмов и их развития играет продолжительность воздействия света — фотопериод. В умеренных зонах, выше и ниже экватора, цикл развития растений и животных приурочен к сезонам года, и сигналом для подготовки к изменению температурных условий служит продолжительность светового дня, которая, в отличие от других сезонных факторов, в определённое время года в данном месте всегда одинакова. Фотопериод представляет собой как бы пусковой механизм, включающий физиологические процессы, последовательно приводящие к росту и цветению растений весной, плодоношению летом и сбрасыванию ими листьев осенью, а также к линьке и накоплению жира, миграции и размножению у птиц и млекопитающих, наступлению стадии покоя у насекомых. Изменение длины дня воспринимается органами зрения у животных или специальными пигментами в листьях растений.

Кроме сезонных изменений режима освещённости, смена дня и ночи определяет суточный ритм физической активности организмов, а также скорость протекания их физиологических процессов. Способность организмов ощущать время, наличие у них «биологических часов» — важное приспособление, обеспечивающее выживание особи в данных условиях среды.

Инфракрасное излучение составляет 45% от общего количества лучистой энергии, падающей на Землю. Инфракрасные лучи повышают температуру тканей растений и животных, хорошо поглощаются объектами неживой природы, в том числе водой. Так как любая поверхность, имеющая температуру выше нуля, испускает длинноволновые тепловые лучи, то растение или животное воспринимает тепловую энергию также от окружающих предметов.

Влажность. Вода — необходимый компонент клетки, поэтому количество её в тех или иных местах обитания служит ограничивающим фактором для растений и животных и определяет характер флоры и фауны в данной местности. Избыток воды в почве приводит к развитию болотной растительности. В зависимости от влажности почвы (и годового количества осадков) видовой состав растительных сообществ меняется. Широколиственные леса южнее сменяются мелколиственными, которые переходят в лесостепь. При дальнейшем повышении сухости почвы высокотравье уступает место низкотравыо, затем развивается пустынный ландшафт. Неравномерное распределение осадков по временам года также представляет собой важный ограничивающий фактор для организмов. В этом случае растениям и животным приходится переносить длительные засухи. В короткий же период увлажнения почвы происходит накопление первичной продукции для сообщества в целом. Им определяется размер годового запаса пищи для животных и сапрофагов — организмов, разлагающих органические остатки.

В природе, как правило, существуют суточные колебания влажности воздуха, которые наряду со светом и температурой регулируют активность организмов. Влажность как экологический фактор важна и тем, что изменяет реакцию организма на температурные колебания. Температура сильнее влияет на организм, если влажность очень высока или низка. Точно так же роль влажности повышается, если температура близка к пределам выносливости данного вида. Для растений и животных, обитающих в зонах с недостаточной степенью увлажнения, характерно наличие эффективных приспособлений к неблагоприятным условиям засушливости. У растений мощно развита корневая система, повышено осмотическое давление клеточного сока, способствующее удержанию воды в тканях, утолщена кутикула листа, сильно уменьшена или превращена в колючки листовая пластинка. У некоторых растений, например у саксаула, листья утрачиваются, а фотосинтез осуществляется зелёными стеблями. При отсутствии воды рост пустынных растений прекращается, в то время как влаголюбивые растения в таких условиях увядают и гибнут. Кактусы способны запасать большие количества воды в тканях и экономно её расходовать.

У пустынных животных также есть целый ряд физиологических приспособлений, позволяющих переносить недостаток воды. Мелкие животные — грызуны, пресмыкающиеся, членистоногие — извлекают воду из пищи. Источником воды служит и жир, накапливающийся у некоторых животных в больших количествах (горб у верблюдов). В жаркое время года многие животные (грызуны, черепахи) впадают в спячку, продолжающуюся несколько месяцев. К началу лета растения-эфемеры после кратковременного периода цветения сбрасывают листья, иногда у них полностью отмирают надземные части, сохраняют только луковицы и корневища до следующего вегетационного периода.

Вопросы для повторения и задания

  1. Что такое абиотические факторы среды? Перечислите основные абиотические факторы.
  2.  Какую роль для жизнедеятельности организмов играют ультрафиолетовые лучи?
  3. Какую часть спектра видимого излучения солнца наиболее активно поглощает хлорофилл зелёных растений?
  4. Приведите примеры теневыносливых и светолюбивых растений, произрастающих в вашей местности.
  5. Докажите, что световой режим играет важную роль в жизнедеятельности организмов.
  6. Какие приспособления в условиях недостатка воды развиваются у растений; у животных?
  7. Холоднокровных животных по-другому называют пойкилотермными, а теплокровных — гомойотермными. Используя дополнительные источники информации, объясните происхождение этих терминов.
  8. Какое адаптивное значение имеет у животных зимняя или летняя спячка?
  9. Используя дополнительные источники информации, приведите примеры других абиотических факторов, действующих на живые организмы.

51. Интенсивность действия факторов среды

Вспомните! • Абиотические и биотические факторы • Онтогенез • Развитие с метаморфозом •Минеральные удобрения

Изменчивость экологических факторов. Некоторые свойства среды на протяжении длительных периодов времени остаются относительно постоянными. Таковы сила тяготения, интенсивность солнечного излучения, солевой состав океана, газовый состав и свойства атмосферы. Большинство же экологических факторов — температура, влажность, интенсивность перемещения воздушных масс — ветер, количество и частота выпадения осадков, укрытия, хищники, паразиты, конкуренты и пр. — очень изменчиво как в пространстве, так и во времени. Степень изменчивости каждого из этих факторов зависит от особенностей среды обитания. Например, температура сильно колеблется на поверхности суши, но почти постоянна на дне океана или в пещерах. Паразиты живут в условиях избытка пищи, тогда как свободноживущие хищники часто испытывают голод.

Популяции организмов, обитающие в какой-то определённой среде, приспосабливаются к этому непостоянству путём естественного отбора, у них вырабатываются те или иные морфологические и физиологические особенности, позволяющие существовать именно в этих и ни в каких других условиях. Для каждого вида существует оптимальная интенсивность действия любого фактора, называемая зоной оптимума экологического фактора (или просто его оптимумом), отклонение от которой в сторону уменьшения или увеличения угнетает жизнедеятельность данного вида. Пограничные значения фактора, за пределами которых наступает гибель организма, называют верхним и нижним пределами выносливости.

На организм одновременно влияют многочисленные и разнообразные факторы среды. По отношению к одним организмы обладают широким диапазоном выносливости и выдерживают значительные отклонения интенсивности фактора от оптимальной величины. Другие факторы могут меняться только в узком диапазоне, поскольку организмы выдерживают лишь небольшие отклонения их значений от оптимума. Например, для некоторых антарктических видов рыб, адаптированных к холоду, диапазон переносимых температур составляет всего 4 °С (от -2 до 2 °С).

С повышением температуры до О °С активность обмена веществ возрастает, но при дальнейшем её увеличении интенсивность метаболизма падает, и при 1,9 °С рыбы перестают двигаться, впадая в тепловое оцепенение. В то же время рыбы, обитающие в водоёмах пустынь, свободно переносят колебания температур в диапазоне от 10 до 40 °С. Широким диапазоном выносливости к изменениям температуры обладают животные, обитающие в высоких широтах. Так, песцы в тундре могут переносить колебания температуры в пределах 80 °С (от -55 до 30 °С). Устойчивы к холодам многие сибирские растения. Так, даурская лиственница близ Верхоянска выдерживает зимние морозы до -70 °С. Растения же тропических лесов могут существовать в достаточно узких пределах изменений температуры окружающей среды: её снижение до 5—8 °С оказывает на них губительное действие. А холодолюбивые виды зелёных и диатомовых водорослей в полярных льдах и на снежных полях высокогорий живут только при температуре около 0 °С.

По отношению к факторам среды различают виды теплолюбивые и холодолюбивые, влаго- и сухолюбивые, приспособленные к высокой или низкой солёности воды. Для водных животных большое значение имеет концентрация кислорода в воде. Некоторые виды могут существовать лишь в узких пределах колебаний содержания 02. Молодь ручьевой форели хорошо развивается при концентрации кислорода 2 мг/л; при её снижении до 1,6 мг/л вся форель гибнет. Следовательно, для форели оптимальной является максимально возможная концентрация кислорода. Другие виды рыб — сом, карп, обитающие в застойных водах, хорошо переносят низкое содержание 02.

Разнится отношение организмов и к содержанию в среде химических элементов. Например, клевер растёт на бедных азотом почвах. Крапива же поселяется только на почвах, богатых азотом: под деревьями в местах массового гнездования птиц, в местах скопления пищевых отходов или навоза.

На разных этапах онтогенеза организмы могут проявлять неодинаковую выносливость к тому или иному фактору. Например, у бабочки мельничной огнёвки — одного из вредителей муки и зерновых продуктов — критическая минимальная температура для гусениц — 7 °С, для взрослых форм -22, а для яиц — 27 °С. Мороз в -10 °С погубит гусениц, но не принесёт вреда яйцам и взрослым формам.

Организмы с большим диапазоном выносливости ко всем факторам среды распространены более широко.

Взаимодействие факторов среды. Ограничивающий фактор. Отклонение интенсивности одного какого-либо фактора от оптимальной величины может снизить выносливость к другому фактору. Так, например, при уменьшении количества азота в почве снижается засухоустойчивость злаков.

Фактор, наиболее удалённый от своего оптимума, называют ограничивающим, поскольку он делает невозможным процветание вида в данных условиях. Впервые на существование ограничивающих факторов указал немецкий химик Ю. Либих (1803–1873). Природа этих факторов неодинакова: нехватка химического элемента в почве, недостаток тепла или влаги. Ограничивающими распространение факторами могут быть и биотические отношения: занятие территории более сильным конкурентом или недостаток опылителей для растений.

Многие факторы становятся ограничивающими в период размножения. Пределы выносливости для семян, яиц, эмбрионов, личинок обычно уже, чем для взрослых растений и животных. Например, многие крабы могут заходить в реки далеко вверх по течению, но их личинки в речной воде развиваться не могут, и это кладёт предел распространению вида. Ареал промысловых птиц часто определяется влиянием климата на яйца или птенцов, а не на взрослых особей.

Выявление ограничивающих факторов имеет практическое значение. Так, пшеница плохо растёт на кислых почвах, а внесение в почву извести позволяет повысить урожайность.

Вопросы для повторения и задания

  1. Как называют благоприятную для организмов интенсивность действия фактора внешней среды?
  2. Что называют пределами выносливости и что определяет их величину?
  3. Какой фактор называют ограничивающим? Почему он получил такое название?
  4. Как меняется выносливость организмов к действию экологических факторов на разных стадиях онтогенеза?
  5. Попробуйте графически изобразить действие любого экологического фактора на живой организм.
  6. На примере известных вам растений и животных опишите возможные пределы их устойчивости к факторам внешней среды.
  7. Обсудите в классе, какие живые организмы, обитающие в вашем регионе, имеют широкий диапазон выносливости к большинству абиотических факторов.

 

Смотрите продолжение Главы 16:

52. Биотические факторы среды. Типы связей между организмами в биоценозе

53. Биотические факторы среды. Взаимоотношения между организмами

 

ОГЛАВЛЕНИЕ вернуться к списку конспектов


Биология 9 класс. Общие закономерности (Мамонтов). Глава 16. Биосфера, её структура и функции. Раздел 5. Взаимоотношения организма и среды. Основы экологии. Электронная версия. Цитаты использованы в учебных целях.

Добавить комментарий

На сайте используется ручная модерация. Срок проверки комментариев: от 1 часа до 3 дней